机械工程中的常用自动控制系统.ppt
第3章 机械工程中的常用自动控制系统,3.1 控制器概述,什么是控制器？控制器是指能够接受控制指令及反馈信息，对它们进行比较，并根据某种控制算法，产生一定的控制信号，使控制对象达到控制目标的装置。控制器如何分类？按发展阶段分：机械式、由电子元器件组成的、通用型按控制算法分：经典、现代、智能按处理信号分：模拟、数字按开放性分：封闭式、开放式,3.2 微控制系统,单片微控制器 单片微控制器即单片机，可以认为是将微型计算机系统所用的大多数IC芯片，包括CPU、存储器、中断控制器、I/O端口等，集成到一个芯片中，成为一台简单的计算机，可以通过编写程序让它处理一些简单的过程。是一种在线式实时控制计算机。体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件，得到了广泛的应用。许多厂家都有自己独特的单片机产品。,DSP数字信号处理器 DSP是一种高速专用微处理器，主要可用于实时快速地实现各种数字信号处理算法 DSP内部设置乘法器，且乘法器和运算逻辑部件ALU并行操作，再加上流水线控制技术，运算速度极快。DSP系统选用的算法是各种经过实践检验的通用算法的组合和改进，专门处理以运算为主、不允许延迟的实时信号。与单片机相比，单片机主要实现“控制”，而DSP重视数字信号处理，其它通用功能相对较弱些。同时结合使用DSP和单片机，可使控制器具有快速传输大量的数据并对数字信号及时处理的能力。,DSP产品不断更新换代，已经渗透到工业生产和日常生活的各个方面。,智能控制芯片以模糊控制、人工智能控制、专家控制等智能控制理论为基础，通过电子元器件的排列组合，可以通过简单的硬件电路实现较为复杂的智能控制算法，实现控制系统的简化。清华大学微电子所：PFLC 可编程模糊逻辑控制器中国科学院计算技术研究所和微电子中心：通用模糊控制器F100神经网络控制芯片,计算机具有很强的运算与处理信息的能力，可以实现更为先进和复杂的控制策略，如自适应控制、智能控制、非线性控制等。而且将计算机网络技术、通信技术、总线技术与现代管理结合起来，从而使工业自动化从过去的就地控制和集中控制等方式向未来的综合自动化方向发展。由硬件和软件两部分组成。硬件包括：主机板、系统总线、I/O接口、人机联系设备、过程输入输出通道等。软件包括：系统软件、支持软件和应用软件。,通用工业控制计算机,总线式工控机由电源、机架、总线母板、中央处理器（CPU）、人机接口及功能丰富的外部I/O模板组成。为保证系统的安全性和稳定性，具有全钢结构带滤网和加固压条的机箱结构、基于总线的无源大母板结构、双冷风扇配置、高可靠性电源装置等特殊机构。,CPU主板是总线式控制计算机系统的核心部件，是整个系统的控制中心。它负责整个系统工作的协调，包括数学运算、数据传输、逻辑判断、输入/输出控制以及与上位机或网络的通信等工作。某双CPU结构的全长CPU卡,无源母板通常也叫主板，是一块印有系统总线的印刷电路板，板上通常提供许多总线插槽（如PC总线、STD总线、VME总线等），以实现各功能模板与系统总线的电气连接。某无源母板 PICMG插槽与全长CPU卡,除了通用的总线式工控机外，盒式工控机、盘式工控机、工业级工作站等适合不同工作环境的工控机也都被广泛使用。某盒式工控机,盘式工控机，也叫做工业平板电脑,工业控制软件可分为系统软件、支持软件、应用软件三个部分。系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，目前的主流系统软件为Windows系列平台。支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序及第三方软件接口等。如高级编程语言 Microsoft Visual Basic、VC+、Delphi，第三方接口DELTA TAU公司的PTALK等。应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。,是由自动化研究机构（ARC Group）提出，用于描述结合了PC和PLC功能的新一代工业控制器。在一种开放灵活的软件构架下，PAC将PC的灵活性及软件能力和PLC的可靠性及稳定性相结合。使用这些控制器开发高级应用系统，不仅包括高级控制、通信、数据记录和信号处理等软件特性，还包括一个稳定的控制器以提供逻辑、运动、过程控制和视觉等高级功能。,PAC可编程自动化控制器,研华公司的开放型、紧凑型、坚固型和灵活型PAC。相对于传统的IPC，它们不仅具备强大的运算功能和开放、灵活的软、硬件接口，而且实现了更高的实时性，具备了更加坚固、安全的结构和开放的模块化体系，更加易于使用。,多轴协调运动控制中，需要进行大量、快速的各种运算，常采用PC+DSP运动控制器的开放式控制模式 DELTATAU公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器 PMAC(Programmable Multi-Axis Controller，可编程多轴控制器)涉及机器人、数控机床、坐标测量机、激光加工、雕刻机、旋转刀、X-Y系统、以及高速印刷、包装、贴标机等各类自动化设备,运动控制器,PMAC采用Motorola的DSP56001/56002数字信号处理器,每个卡可同时控制多达32个伺服轴，链接可达16块板(128轴)。除支持ISA、PCI、VME、PC/104等标准总线形式及串口两种用上位机对其进行控制的方式外，还可以以脱机方式单独运行存储于其内部的运动程序、PLC程序及进行伺服环更新等。四种总线结构的PMAC，其硬件结构包括PMAC-PC，PMAC-Lite，PMAC-VME，PMAC-STD，他们都有相同的在板固件，因此，在它们任何一款中编写的程序均可以在其它款式中运行。,3.2 常用控制器,PMAC特点：12824零等待SRAM、5128的用户编程闪存；4轴到8轴高精度同步运动控制；模拟量/10V输出，支持数字量PWM信号和步进放大器输出；可选择PC/104总线、RS-232、以态网进行通讯；两个扩展的全编码器通路（在板总计4个），可实现双反馈、步进或者混合放大器控制；可自动对任务优先级进行判别；,3.2 常用控制器,PMAC特点(续上页)：接受增量编码器、绝对编码器、旋转变压器等类型的反馈；支持交流伺服、直流、交流异步、步进等电机类型；可编译和执行PMAC、G代码、AutoCAD转换等编程语言。此外，还包含多种差补算法、PLC模式、电子齿轮、电子凸轮、看门狗等功能，能够满足工业控制的各种需要。,3.2 常用控制器,PMAC两个重要的接口包括JMACH口和JTHW口 JMACH部分引脚介绍用以实现对电机反馈信号的监测和控制信号的输出,3.2 常用控制器,JTHW口为多路拨码开关I/O口，含8根输入和8根输出线。JOPTO口提供8个通用的数字输入和输出。JS I/O口用来连接ACC28模/数转换卡，并将其映射到相应的地址。Pwin 32 Pro是PMAC控制程序的编译环境，同时具备丰富的监测、控制等其它功能。它用来配置、控制和检测全部的Delta Tau生产的运动控制器，提供了终端通讯窗体，能够在工作区里调用；区分运动程序和PLC程序语法的文本编辑器，并附加了一套配置PMAC及其附件的工具。,3.2 常用控制器,Pwin 32 Pro支持Windows XP、2000、98操作系统。内置PMAC Plot Pro(描绘运动轨迹内存寄存器的状态变化)、PMAC Tuning Pro(优化伺服的PID参数)等。支持所有PMAC通讯方法，自动配置即插即用设备；增强型文本编辑器，内置debugger调试PLC程序；使用tuning工具可自动设定和调整PID、陷波和扩展伺服算法；项目分组管理，可更好的调用运动程序和PLC程序；增强的绘图能力，可以动态和静态的监视参数和寄存器、运动轨迹等；可实时监视位置、电机状态，参数等；通过资源管理器通过助记的形式改变PMAC参数。,3.2 常用控制器,美国BALDOR公司、美国GALIL公司、美国D/A公司、德国MOVTEC公司及国内的东方嘉志公司、森泰公司及部分院校都积极投入到PC-Based运动控制卡的研究当中，推出了多种基于标准PC及IPC总线环境多轴伺服运动控制卡。研华PCI-1240U 研华PCI-1241,3.2 常用控制器,PCI-1240U是一款4轴通用PCI步进/脉冲型伺服电机控制卡，专门应用于一般的精确运动。该卡使用了智能NOVA MCX314运动ASIC芯片；提供了各种运动控制功能，如2/3轴线性插补、2轴圆弧插补、连续插补、T/S曲线加速/减速、手轮和慢进，A/B相位或加/减、固定速度控制2种编码器脉冲输入类型，位置管理和软件行程开关功能，BoardID开关等。提供了Windows DLL驱动程序和丰富直观的例子。提供了运动工具程序，方便进行配置和诊断。,3.2 常用控制器,PCI-1241采用ASIC芯片，通过使用DDA（数字微分分析器）实现4轴伺服位置和同步控制。闭环控制通过P控制实现，并使用-10到+10的信号输出到速度型伺服驱动器；还可以通过编码器输入端口回读电机编码器值，以允许进行步进控制。为每个轴的控制提供一套完整的传感器输入点，包括原位点、正/负限位点。含有禁止信号输出点，位置就绪输出点和紧急输入点。可扩展到128点输入和128点输出，带有6路A/D转换。256个远程串行输入/输出接口。,3.3 传感器及信号采集卡,传感器用来感知外界环境变化的电子器件。传感器具备人的五官所没有的更加复杂、灵敏、精确的感知功能。传感器的工作是，将环境参数，如温度、高度、距离等物理量转换为电子元器件能够接受的电压或电流信号。采集卡采集各种电信号，并将其转化为数字量信号供计算机等数字控制器处理。在数字控制系统中，当外部信号较多时，需使用采集卡接受各种电信号并将其转化为数字量传送给控制器。,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.1 接近开关右图为一种电感式基座型接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。它通常用作计数、设定运动物体的有效运动范围、零点等只存在“1”、“0”两种状态的情况。例如,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.2 测距仪超声波测距仪的原理：超声波发射器发射超声波，通过被测物体的反射，接受器接收回波，从发射到接收的时差来测量被测距离。是一种非接触式测量。除超声波外，激光、红外线等也都被用于非接触性的对距离进行检测。激光的聚合性及传播距离最好，常用于精确的、长距离的检测。超声波探头 激光测距仪,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.3 图像传感器 图像传感器是利用光电器件的光-电转换功能，将其感光面上的光像转换成为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。敏感器件有CCD、BBD、CID、CMOS等。CMOS图像传感器非常省电，只有普通CCD的1/3左右。但容易出现杂点，且在处理快速变化的影像时容易过热等。CCD信号电荷耦合器件以电荷为信号，其主要工作过程为信号电荷的产生、存储、传输和输出。它的析像度高、处理速度快，并且结构简单、使用方便，被广泛使用。,3.3 传感器及信号采集卡,右图为一款彩色/黑白CCD摄像传感器，采用33万像素的高精度CCD彩色图像传感器芯片。外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，CCD彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化的外界景物以25幅/秒的速度转换为串行模拟脉冲信号输出。该串行模拟脉冲信号经A/D转换器转换为数字信号，由于信号量很大，所以还要进行信号数据压缩。可对压缩后的信号数据进行进一步的处理，用于实时控制的环境反馈信息。,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.4 位移传感器位移传感器通常可分为线位移传感器和角位移传感器，且包含电阻式、电容式、电感式、光栅式、编码式、霍尔效应式、激光式等多种传感类型。常用的位移传感器有：用于测量角位移的旋转编码器，和测量线位移的光栅尺。各种旋转编码器,3.3 传感器及信号采集卡,编码盘式角位移传感器分绝对式和脉冲式两种。前者在计数器中对某个基数进行加或减，从而记录旋转的角位移量。后者不需要基数，它能在任意位置给出一个该位置相应的固定数字码。脉冲式编码器又称增量式编码器，由检测头、脉冲编码盘以及发光二极管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。右图所示增量式编码器的检测头为遮断型(透射型)，其脉冲编码盘置于发光元件与受光元件之间。,3.3 传感器及信号采集卡,遮断型增量式编码器，其脉冲码盘安装在编码器的转轴上，并置于发光元件和受光元件之间。转轴旋转时，受光元件检测出刻有齿槽的编码盘的角位移，得到两组相位相差90的脉冲信号。可利用一组脉冲检测速度，正、负两路计数脉冲辨向。可以通过外路倍频，得到二倍频或四倍频信号。这种非接触式编码器，寿命长、功耗低、耐振动，被广泛应用于角度、距离、位置、转速等的检测与控制。,3.3 传感器及信号采集卡,主光栅上均匀刻有许多线纹，形成明暗交错的线条。与指示光栅平行安装，并使它们的刻线互相倾斜一个很小的角度，在指示光栅上出现一些明暗条纹。当主光栅沿刻线垂直方向移动时，这些条纹就沿两块光栅刻线夹角的平分线方向移动。若用计数器记录下指示光栅上移动过的条纹数，即可知主光栅移动的距离。除以上介绍的几种常用传感器外，还有多种如温度、湿度、力、气敏、磁敏等传感器，以及生物传感器和智能化的智能传感器等。,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.5 多传感器信息融合（MIF）多传感器信息融合就是把分布在不同位置、处于不同状态的多个同类或不同类型传感器所提供的局部不完整观察量加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，利用信息互补，降低不确定性，以形成对系统环境相对完整一致的感知描述，从而提高智能系统决策、规划的科学性，反应的快速性和正确性，降低决策风险的信息处理方法。它与经典信号处理方法之间存在本质的区别，其关键在于信息融合所处理的多传感器信息具有更为复杂的形式，而且可以在不同的信息层次，包括数据层、特征层和决策层上出现。,3.3 传感器及信号采集卡,通过对多传感器信息融合得到的被测对象的描述，比通过对各个传感器信息无规则或只有简单规则叠加得到的描述性能更加优越，更贴近实际环境情况。近年来，信息融合技术已经快速从相关技术的简单结合发展成为一门正在形成的具有标准术语、稳健的数学方法和具有系统设计规则的工程学科。在图像融合、多模态生物特征识别、自动目标识别等军事、工业、生活领域中得到了广泛的应用。,3.3 传感器及信号采集卡,3.3.6 信号采集卡目前，信号采集卡已发展得非常完善，除了大量的信号输入接口，还集成了模拟和数字输出接口，也可称为扩展I/O。它使控制器与生产过程相连接，进行数据采集和输出控制信息，它的性能优劣对整个系统具有举足轻重的影响。对于常用的开放型数字控制器工业控制计算机，其扩展I/O的发展大致经历了母板I/O、总线插板I/O、插板式智能I/O、远程I/O、远程智能I/O等过程。,3.3 传感器及信号采集卡,下图是一种功能强大的高分辨率多功能PCI总线插板式数据采集卡，包含了模拟量、数字量、通信转换模块（RS485/232）、信号调理模块、远程I/O模块、智能通用I/O单元。它的采样速率可达200KS/s、16位分辨率，提供16路单端或8路差分的模拟量输入，1路16位D/A模拟量输出通道，16路数字量输出通道，及1个10MHz的16位多功能计数器通道。内建校准电路可对模拟量输入和输出通道中的增益和偏移误差进行自动修正。,3.3 传感器及信号采集卡,下图是用于工业应用的低成本通用螺丝端子板。它们各含有40个端子，采用点到点设计，可通过20针扁平电缆与采集卡或控制器连接。PCLD-880更适应与在恶劣工业环境中的可靠连接，并额外提供一个DB-37接口，支持带有DB-37接口的PC-LabCard数据采集控制卡。,3.3 传感器及信号采集卡,下图中数据采集卡PCI-1710与接线端子板PCLD-8710采用68针SCSI-型接口通过带有用于降低噪声特殊屏蔽的电缆相连，可以通过将传感器的信号线与PCLD-8710的接线端子相连，及PCI-1710插入工控机或PAC等含有通用PCI总线的控制器中，将传感器信号通过滤波、A/D转换等，自动、智能地供给控制器判断、决策使用。,3.4 工程实例中的控制系统设计,3.4.1 工作台位置自动控制系统此工作台位置自动控制系统的控制对象是工作台，控制量是工作台的位置。本系统使用直线电位器及比较放大器加以一定的控制规则形成模拟控制系统。本系统输入控制量和检测控制量环节分别为，指令电位器、检测电位器。操作者通过指令电位器指定工作台运动目的位置，即将指定的位置转化成相应的电压信号输出。检测电位器则用来检测工作台的实际位置，即将工作台的实际位置转化成电压信号。控制器将检测电压与指令电压比较，以一定的规则使控制对象快速、准确地到达指定目标。,3.4 工程实例中的控制系统设计,如果用xi表示给定的位置，用ua表示对应的输出电压。这种转换关系可表示为：当选用具有良好线性度的电位器作为位置指令电位器时，上式中的Kp为常数。如果工作台的位置范围是x，电位器的电源电压为u，则Kp=u/x，然后就可以根据上式计算对应xi和ua了。,3.4 工程实例中的控制系统设计,检测电位器测量长度与工作台的运动范围一致，安装在导轨的侧面，电位器指针与工作台相连，可把工作台的位置转换成相应的电压信号。检测到的位置x和检测电压ub之间的关系如下图所示。在本例中使Kf=Kp，当给定电位器电源电压与检测电位器一样时，认为系统的输出达到控制目标。,3.4 工程实例中的控制系统设计,本例中位置控制系统的控制原理为：操作者通过指令电位器发出工作台的位置指令xi，指令电位器对应输出一个电压 ua。电压ua与位置xi成正比，比例系数为一常数Kp。工作台在导轨上的实际位置x由装在导轨侧向的位置检测电位器检测，位置检测电位器将实际位置x转换为电压ub输出。电压ub与工作台的实际位置x成正比，比例系数Kf=Kp。电压ub需要经过反馈与ua进行比较（相减），产生偏差电压为u=ua-ub。控制器以一定的规则使u快速地趋近于零，即使工作台快速、准确地到达指定位置。,3.4 工程实例中的控制系统设计,可由比较放大器得到u，并将偏差信号加以放大。比较放大器可由高阻抗差动运算电路实现。此比较放大器的输入为给定电位器输出ua和检测电位器输出ub，其输出为其中Kq为比较放大器的增益,3.4 工程实例中的控制系统设计,当x和xi有偏差时，该偏差电压u在比较放大器中被放大成Kqu。Kqu进入控制器，通过控制器处理后的信号经功率放大器放大驱动直流伺服电动机转动，电动机通过减速器和滚珠丝杠驱动工作台向给定位置xi运动。随着x与xi偏差的减小，u的绝对值也逐渐减小。当x与xi相等时，u为零，伺服电动机停止转动。当x和xi相等时，没有u，也就没有电压和电流输入电动机，工作台不改变当前位置。当不断改变xi时，工作台就不断改变在机座上的位置，以保持 x=xi 的状态。,3.4 工程实例中的控制系统设计,3.4.2 倒立振子台车控制系统 倒立摆系统是一个相当复杂的、高阶次、多变量、非线性、强耦合、不确定的绝对不稳定系统。本例的单级倒立摆，采用计算机作为控制器，编码器1、2用来检测振子倾斜角度和台车位置，限位开关1、2作为小车到达行程限制的急停信号，并在计算机上编写一定的控制算法，通过控制小车的运动速度，改变小车和小车上的倒立摆之间的相对速度，使倒立摆维持在平衡状态。,3.4 工程实例中的控制系统设计,右图所示为振子和台车控制系统的结构和各环节间的信号传递。由计数电路将编码器1、2的脉冲信号转换成脉冲数，分别以16位的二进制数字信号直接输入到计算机中。将台车急停的限位开关1、2的开关信号作为计算机的中断信号。计算机把使电动机产生所需转矩的电枢电流指令值以12位数字信号输出给由D/A转换器和电流反馈电路组成的电机驱动电路，使直流电动机产生与电流指令值成比例的转矩，最终使倒立振子台车系统在一定的算法控制下达到稳定状态。,3.4 工程实例中的控制系统设计,作为控制器的计算机的主要工作包括：在每个采样周期，把计数器输入的表示振子倾斜角度和台车位置的二进制数据采入；与上一周期的数据比较，求得振子角速度和台车速度的近似值；根据以上信息计算直流电动机电枢电流的指令值；将该指令值以12位数据方式输出至电动机驱动电路；当台车触发轨道两端附近的限位开关产生中断信号时，将直流电动机电枢电流的指令值设置为0并输出，瞬间停止电动机的转动。此外，还可以使用智能控制芯片来完成对倒立振子台车的控制。如前面介绍的PFLC。,3.4 工程实例中的控制系统设计,3.4.3 关节型机械手实际应用中存在的大型运动控制装置往往是具有多个控制轴的，如平面X-Y平台，SCARA型机器人等。在这些多轴运动控制系统中存在多个运动控制轴的协调控制问题。本例中的关节型机械手控制系统，可由IPC主控制器加DSP运动控制器构成，并配以转接板和各种传感器，实现对机械手的精确控制。,3.4 工程实例中的控制系统设计,选择IPC作为主控制器，其上运行机器人控制主程序，提供用户界面接口并完成作业任务规划、运动学正反解和坐标变换等，并采用Windows操作系统作为上层软件的开发平台。采用DSP高性能运动控制器作为底层控实时制器，运用一定的控制策略产生控制信号，并将其送入控制箱中的各个关节电机驱动器中，经过运算放大后驱动机器人本体上的关节电机运动，完成关节电机的运动控制。采用交流伺服电动机驱动机械手各关节。,3.4 工程实例中的控制系统设计,本例中，由伺服驱动装置接收速度控制信号，完成速度闭环控制；运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，并向伺服驱动器输出模拟电压控制信号；IPC根据状态反馈信号和控制目标按照一定的控制规则对运动控制起到指导和修正作用。,3.4 工程实例中的控制系统设计,本例中，采用型PMAC-PC8轴运动控制卡，与IPC以ISA总线形式连接，并通过公共缓存区DPRAM（双端口RAM）提高数据交换速度。PMAC可通过JMACH口对各个伺服电机的状态进行监测和控制；通过JTHW口采集外部控制面板输入；通过JOPTO口对电机的控制通道进行转换；通过JS I/O口接收由ACC34AA、ACC28B采集的外部传感器信号输入；并且可通过对在板跳线及I变量的设置定义PMAC的功能类型。,3.4 工程实例中的控制系统设计,其中，可通过专用接口板实现匹配PMAC的JMACH接口与驱动器接口，及采集其它外部输入输出信号。这样，通过一步步地连接，我们便可以通过在IPC简单的用户界面接口操作或编程，对多自由度机械手的各关节电机进行有效的控制，并最终控制机械手准确完成一定的控制目标。,
